Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 8
1.1 Экологические аспекты аэротехногенного загрязнения агроландшафтов выбросами транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники
1.2 Оценка экологического состояния агроландшафтов в зоне влияния выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники
1.3 Мероприятия по снижению токсичного действия выбросов транспорта на окружающую природную среду
2. Объекты и методы исследований 23
3. Мониторинг экологического состояния агроландшафтов в зоне влияния выбросов транспорта
3.1 Исследование влияния выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники на состояние атмосферного воздуха в агроландшафтах 36
3.2 Оценка состояния древесных фитоценозов придорожных лесополос
3.3 Оценка экологического состояния почв в агроландшафтах, находящихся в зоне влияния выбросов транспорта
4 Оценка влияния выбросов дизельного двигателя на экологическое состояние темно-серой лесной почвы
4.1 Оценка химического загрязнения почвы под влиянием выбросов дизельного двигателя 69
4.2 Оценка биологической активности почвы 71
5. Эколого-экономическая оценка использования газового топлива в сельскохозяйственном производстве 80
5.1 Экологическая оценка 80
5.2 Оценка экономической эффективности использования газового топлива при проведении сельскохозяйственных работ
Выводы 87
aПредложения 89
Список использованной литературы 90
Приложения 104
Список условных сокращений и обозначений 147
- Экологические аспекты аэротехногенного загрязнения агроландшафтов выбросами транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники
- Исследование влияния выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники на состояние атмосферного воздуха в агроландшафтах
- Оценка химического загрязнения почвы под влиянием выбросов дизельного двигателя
Введение к работе
Актуальность исследований Одной из актуальных экологических проблем планеты в последние десятилетия является увеличение выбросов автотранспорта и другой мобильной техники в атмосферу, с которыми в окружающую среду поступают тяжелые металлы, полиароматические углеводороды, оксиды углерода, азота, серы, сажа и другие токсичные соединения. При этом нарушается биотический круговорот, наносится ущерб здоровью населения, флоре, фауне, снижается устойчивость и продуктивность природных и природно-антропогенных экосистем.
В России значительные площади агроландшафтов подвергаются влиянию выбросов транспорта. Среди них большую долю занимают экосистемы, расположенные вдоль дорог, а также пахотные земли, из-за проведения на них сельскохозяйственных операций.
В Рязанской области площадь земель сельскохозяйственного назначения составляет более 60 % территории области, из которых 2 % заняты дорогами. В то же время, по данным природоохранных организаций г. Рязани, доля выбросов транспорта составляет 50 % в суммарном объеме выбросов в атмосферу и увеличивается с каждым годом, что способствует прогрессирующей деградации почвенного покрова, снижению урожайности сельскохозяйственных культур и качества продукции.
В создавшейся ситуации необходимы комплексные мониторинговые исследования экологического состояния агроландшафтов, подверженных влиянию выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники, выявление приоритетных загрязнителей, масштабов их распространения в окружающей среде и оценка степени влияния токсикантов на компоненты биоценоза.
Цель и задачи исследований
Цель исследований - проведение мониторинга экологического состояния агроландшафтов в зоне влияния выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники (на примере Рязанской области).
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-оценить степень влияния выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники на загрязнение атмосферного воздуха в агроландшафтах, выявить приоритетные загрязнители, масштабы их распространения и воздействия на компоненты биоценоза;
-оценить экологическое состояние почв агроландшафтов, попадающих под влияние выбросов транспорта на автотрассах с различной интенсивностью движения;
-экспериментально изучить влияние выбросов дизельного двигателя на экологическое состояние темно-серой лесной почвы;
-провести эколого-экономическую оценку применения альтернативных видов топлива в качестве одного из факторов, снижающего негативное воздействие выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники на агроландшафты.
Научная новизна работы заключается в определении влияния выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники на экологическое состояние агроландшафтов.
Впервые установлены:
-зависимость биологической активности серой лесной почвы придорожных экосистем от расстояния до автомагистралей с различной интенсивностью движения и концентрации токсикантов в почве и атмосферном воздухе;
-экологическое состояние темно-серой лесной почвы под влиянием выбросов дизельного двигателя.
Практическая значимость
Установленные в ходе исследований размеры санитарно-защитных зон для агроландшафтов, подверженных влиянию выбросов транспорта, могут быть использованы при проектировании полей севооборота в придорожной зоне. Выявленные зависимости биологической активности серой лесной почвы от расстояния до автомагистралей, концентрации токсикантов в почве и атмосферном воздухе могут быть использованы при проведении мониторинга
экологического состояния агроландшафтов в зоне влияния выбросов транспорта.
Положения, выносимые на защиту
Разработанный комплексный методический подход к изучению и оценке взаимосвязей в системе атмосферный воздух-почва-биоценоз под влиянием выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники в агроландшафтах позволил установить:
-перечень приоритетных токсикантов и масштабы их распространения в атмосферном воздухе, почве;
-зависимость между расстоянием до дороги и биологической активностью почвы;
-показатели экологического состояния темно-серой лесной почвы под влиянием выбросов дизельного двигателя.
Апробация работы
Материалы диссертации использовались при выполнении работ по хоздоговорной тематике на тему: «Экологическая оценка почвенно-биотического комплекса земель сельскохозяйственного назначения и водных экосистем рязанской области», договор 11-2004 от 1.04.2004 в соответствии с планом НИР РГСХА.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на заседаниях кафедр «Технической эксплуатации транспорта» и «Агроэкологии, с.х. мелиорации и защиты растений» РГСХА им. П.А. Костычева, на научно-практических конференциях РГСХА (Рязань, 2003, 2004, 2005 гг.), молодежном форуме «Агробиотехнологии и экологическое земледелие (Владимир, 2005), международной научно-практической конференции «Экология, окружающая среда и здоровье населения Центрального Черноземья» (Курск, 2005), международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии земледелия» (Курск, 2005), на V международной конференции молодых ученых и специалистов «Перспективные технологии для
современного сельскохозяйственного производства» (Курск,2005). По материалам диссертации опубликовано 4 научные статьи.
Структура и объем диссертации
Содержание работы изложено на 147 страницах машинописного текста. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка и приложений. Материалы диссертации проиллюстрированы 25 таблицами и 16 рисунками. Библиографический указатель содержит 138 источников, в том числе 20 иностранных.
Автор выражает признательность за научные консультации, ценные советы и помощь в проведении исследований ЛЛО. Макаровой
Экологические аспекты аэротехногенного загрязнения агроландшафтов выбросами транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники
Загрязнение окружающей природной среды (ОПС) выбросами транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники в агроландшафтах происходит в результате работы машинно-тракторных агрегатов в полевых условиях, а также под влиянием автомагистралей, проходящих по территории землепользования сельскохозяйственных предприятий. Ежегодно только тракторами и самоходными машинами (сельскохозяйственными, дорожно-строительными и другими) в РФ выбрасывается в атмосферу около 1,5 млн. тонн различных загрязняющих веществ, что в 5 раз превышает выбросы ТЭЦ и в 3 раза выбросы промышленных предприятий [44, 13,49].
По данным природоохранных организаций уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Рязани и области характеризуется как высокий. Средние концентрации по диоксиду азота, бенз(а)пирену, оксиду углерода и фенолу за 2003 год превышают среднегодовые концентрации по стране [21].
Количество вредных веществ, поступающих в окружающую среду с выбросами транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники, зависит от многих факторов: типа двигателя, типа и качества топлива, режима движения автомобиля, его конструкции, состояния дорог, технического состояния транспортных средств.
Вещества, содержащиеся в выбросах транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники, образуются в результате горения топлива в двигателях внутреннего сгорания, износа поверхностей деталей из-за трения. В их составе можно выделить следующие соединения:
- нетоксичные (4 класс опасности)- азот, кислород, пары воды, двуокись углерода;
-токсичные (1, 2, 3 класс опасности) - углеводороды (до 200 наименований), в том числе полиароматические (бенз(а)пирен), альдегиды, оксиды азота (до 10 наименований), сажа, оксиды серы и сероводород, твердые частицы (оксиды металлов, кремния, сульфаты, нитраты, соединения свинца, фенолы) [48,44].
Загрязняющие вещества, источниками которых являются транспортные объекты, распространяются и накапливаются во всех компонентах биосферы (воде, воздухе, почвах, растениях, животных). Оксиды серы в атмосфере реагируют с парами воды с образованием серной кислоты, а затем с осадками попадают на поверхность почвы в виде кислотных дождей. Накопление оксидов азота (NOx), диоксида углерода (СОг), метана (СНД озона (03) в совокупности с хлорорганическими соединениями вызывает климатические изменения регионального и планетарного масштаба («парниковый эффект»).
Основным каналом стока загрязняющих веществ из атмосферы и их последующего поступления в наземные экосистемы является почва -неотъемлемая часть любого наземного биогеоценоза и биосферы в целом.
Загрязнение почвы выбросами транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники связано с их составом. На поверхности почвы осаждаются тяжелые металлы, ПАУ, оксиды серы, азота, сажа и другие токсичные соединения [48, 36, 80].
По составу и содержанию отдельных компонентов почвенный воздух близок к атмосферному, что обусловлено непосредственным контактом через почвенные поры. Постоянно и постепенно протекающий газообмен направлен на выравнивание их составов. Обновление воздуха в пахотном слое происходит почти полностью каждый день. Количественные различия в составе почвенного и атмосферного воздуха определяют градиент концентрации отдельных их компонентов. Пока этот градиент существует, через свободные от воды почвенные поры происходит диффузионное передвижение газов в сторону меньшей их концентрации. Градиент концентраций между почвой и атмосферой поддерживается благодаря интенсивной деятельности почвенной биоты. Главную роль в газообмене системы почва-атмосфера играет диффузия, а подчиненную, но для некоторых условий весьма существенную, - конвекция. Последняя больше связана с разностью температур почвы и воздуха, изменениями барометрического давления, влиянием ветра, выпадением осадков и изменением уровня грунтовой воды и верховодки. Величина же диффузии зависит от природы диффундирующих газов и свойств почвы (содержание гумуса, порозность, влажность, температура и др.) [20].
С увеличением молекулярной массы газообразных органических веществ и количества функциональных групп в молекулах, содержащих азот, фосфор, кислород, серу, возрастает скорость абсорбции. Абсорбция легких углеводородов почвой зависит также от видового состава почвенных бактерий и интенсивности микробиологических процессов, протекающих в почве [121].
Почвы обладают значительной сорбирующей способностью по отношению к оксидам серы. К числу факторов, способствующих лучшему поглощению диоксидов серы почвой, относятся повышенное содержание органического материала в почве, присутствие в ней карбонатов кальция, ее влажность, дисперсность и кислотность, а также населенность микроорганизмами. Установлено, что поглощение из атмосферы диоксидов серы происходит с большей скоростью, чем поглощение оксидов углерода. Оксид азота окисляется в почве до диоксида азота, причем в почвах с высокой кислотностью оксид азота менее устойчив, чем в щелочных. Было найдено, что скорость выведения диоксида азота из атмосферы, меньше, чем скорость выведения диоксида серы.
Исследование влияния выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники на состояние атмосферного воздуха в агроландшафтах
Наиболее подверженным аэротехногенному воздействию, в том числе автотранспорта, в Рязанской области является Рязанской район, где размещены многие сельскохозяйственные предприятия, в том числе СПК «Пригородное» и АОЗТ «Реткинский».
По территории землепользования этих хозяйств проходят автомагистрали федерального значения (Рязань-Челябинск «М-5 «Урал») и регионального значения (Рязань-Ряжск; Рязань-Пронск) с интенсивностью движения в среднем от 2 до 16 и более тыс. авт./сутки (табл. 3).
Из таблицы 3 видно, что интенсивность движения на автотрассе федерального значения (Рязань-Челябинск «М-5 «Урал»), проходящей по территории землепользования СПК «Пригородное», составляет 16416 авт./сутки, из них более 50 % - техника, использующая в качестве моторного топлива дизельное. Интенсивность движения на автотрассах регионального значения Рязань-Ряжск и Рязань-Пронск, проходящих по территории АОЗТ «Реткинский», составляет соответственно от 10776 до 1976 авт./сутки. Преобладающим видом автотранспорта являются легковые автомобили.
Высокая интенсивность движения на автотрассах, расположенных на территориях агроландшафтов, создает угрозу загрязнения атмосферного воздуха, почв, зоо- и фитоценозов в придорожных территориях, особенно там, где отсутствуют защитные лесополосы. Специалисты утверждают, что если автомобильная трасса идет среди полей, то концентрация свинца в зерновых в 10 раз выше, чем на остальном поле [71].
В диссертационной работе проведен анализ степени влияния выбросов транспорта на состояние атмосферного воздуха в агроландшафтах СПК «Пригородное» и АОЗТ «Реткинский» вблизи автомагистралей.
Для этого вблизи автомагистралей отбирались пробы атмосферного воздуха на содержание свинца и проводились расчеты приземных концентраций диоксидов азота, серы, угарного газа, сажи, бенз(а)пирена и других ЗВ на открытых участках выбранных автомагистралей на расстояниях 10; 50; 100 метров от дорожного полотна по направлению господствующих ветров. Результаты представлены в таблице 4.
Данные таблицы свидетельствуют о том, что загрязнение атмосферного воздуха свинцом вблизи автомагистралей с интенсивностью движения 16416 авт./сутки распространяется на расстояние не более 10 метров, что объясняется высокой плотностью элемента. На расстоянии 50 метров от дороги концентрация свинца в воздухе снижается до нормальных значений. Превышение предельно-допустимых значений элемента в приземном слое атмосферного воздуха вдоль магистралей с меньшей интенсивностью движения не наблюдается.
Оценка химического загрязнения почвы под влиянием выбросов дизельного двигателя
Результаты натурных исследований показали, что наиболее подверженными токсичному влиянию выбросов транспорта в агроэкосистеме являются почвенно-биотический комплекс и фитоценозы, состояние которых может использоваться в качестве индикатора техногенной нагрузки.
Наиболее распространенным типом почв в Рязанской области является серая лесная (в том числе темно-серая лесная). В связи с этим нами была поставлена задача, определить показатели ее экологического состояния под влиянием выбросов дизельного двигателя, так как именно дизельное топливо является основным в сельскохозяйственном производстве.
Исследования проводились по схеме, предложенной авторами [12] и представленной на рисунке 11. Однако, в отличие от существующих методик, в которых изучается влияние выбросов отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на растения, нами преложен усовершенствованный подход к изучению токсичности выбросов ДВС, позволяющий проводить оценку с использованием показателей экологического состояния почвы.
Оборудование нами было специально изготовлено (рис 12). В опыте использовался трактор марки ЗТМ 60 Л с дизелем Д 65Н и дизельное топливо Л-0,5-40, ГОСТ 305-82.
Вегетационные сосуды с почвой в пятикратной повторносте помещались в фумигациошгую камеру (теплицу), обтянутую полиэтиленовой пленкой, объемом Юм, высотой 2 м, куда подавали смесь воздуха с выхлопными газами через специальное устройство. За счет поддержания постоянства режимов работы двигателя (холостой ход) и вентилятора обеспечивалась стабильная концентрация токсичных веществ, поступающих в камеру.
